Интелектуална хибридна система за вятър-слънце с фази-PID контрол за подобряване на управлението на батерии и MPPT

Резюме​

Тази инициатива представя хибридна система за генериране на електроенергия от вятър и слънце, основана на напреднали контролни технологии, с цел ефективно и икономично да удовлетвори нуждите от енергия в уединени области и специални приложения. Сърцевината на системата е интелигентна контролна система, центрирана около микропроцесор ATmega16. Тази система извършва проследяване на точката на максимална мощност (MPPT) както за вятъра, така и за слънчевата енергия, и използва оптимизиран алгоритъм, комбиниращ PID и нечетки контрол, за прецизно и ефективно управление на зареждането/разряждането на ключовия компонент - батерията. По този начин значително се увеличава общата ефективност на генерирането на електроенергия, продължава се животът на батерията и се гарантира надеждността и икономичността на доставката на енергия.

​I. Фон и значение на проекта​

1. ​Енергийна контекстуализация:​​ На глобално ниво традиционните горивни ресурси все повече се изчерпват, което представлява сериозни предизвикателства за енергийната сигурност и устойчивото развитие. Развитието и използването на чисти, възобновяеми нови източници на енергия като вятър и слънце са станали стратегически приоритети за решаване на текущите енергийни и екологични проблеми.
2. ​Стойност на системата:​​ Хибридната вятър-слънчева система изцяло използва природните допълващи се характеристики на вятъра и слънчевата енергия по отношение на времето и географската локация (например силна слънчева светлина през деня, потенциално по-силни ветрове през нощта), преодолявайки преразпространствеността на енергията, генерирана от единичен източник. Това е структурно рационално, с ниски операционни разходи, решение за независимо осигуряване на енергия, което ефективно решава проблемите с доставката на енергия за обекти като жилищни условия, базови станции за комуникации и метеорологични наблюдателни станции в области без или с оскъдно електричество.
3. ​Значението на ключовите компоненти:​​ Батерията, служеща като единица за съхранение на енергията, е критична за гарантиране на непрекъснато доставяне на енергия към потребителя по време, когато няма вятър или слънце. Разходите за нея представляват значителна част от цялата система за генериране на енергия. Затова подобряването на ефективността на зареждането на батерията и оптимизирането на стратегиите за зареждане/разряждане, за да се продължи нейния жизнен цикъл, са важни за намаляване на разходите по жизнения цикъл на системата и за подобряване на оперативната надеждност.

​II. Обща концепция на системата​

1. ​Основни цели на системата:​​
• ​Оптимизация на използването на енергия:​​ Изпълнява оптимално управление за максимална ефективност на електроенергията, генерирана от вятърната турбина и фотоелектрическите панели, постигайки проследяване на точката на максимална мощност (MPPT), за да се използват пълноценно природните ресурси.
• ​Управление на системата за съхранение на енергия:​​ Интелигентно управление на процеса на зареждане и разряждане на батерията, предотвратяване на прекомерно зареждане и разряждане, ефективна защита на батерията и значително подобряване на ефективността на зареждането и жизнения й цикъл.
2. ​Хардуерна архитектура на системата:​​

Системата се състои от три основни функционални модула, координирани от централен контролен CPU, за да се формира пълноценна интелигентна контролна система.

​III. Основни контролни технологии: Интелигентно управление на батерии​

1. ​Избор и основи на батерията:​​
• ​Тип:​​ Това решение избира безподдръжкови свинцови акумулативни батерии, които са технологично зряли и с ниска цена, подходящи за малки хибридни вятър-слънчеви системи.
• ​Принцип на действие:​​ Зареждането и разряждането на батерията са основно процеси на преобразуване на електрическа енергия в химическа и обратно. Въпреки това, поради явления като поляризация на електродите, ефективността на преобразуването на енергията не може да достигне 100%.
2. ​Предизвикателства при управлението и стратегия за оптимизация:​​
• ​Недостатъци на традиционното управление:​​ Класическите методи на PID управление тежко се полагат на точна математическа модель на контролируемия обект (батерията). Батерията е нелинейна, временно променлива система, чиито параметри (вътрешно съпротивление, плътност на електролита и т.н.) се променят динамично с околната температура и състояние на използване, което прави трудно установяването на точна модель. Това води до предизвикателства при настройката на традиционните параметри на PID, слаба адаптивност и подобрен контролен резултат.
• ​Използван метод на напреднал контрол:​​ Това решение използва композитна стратегия на Fuzzy-PID управление, комбинирайки предимствата на двете:
• ​Преимущество на нечеткия контрол:​​ Не изисква точна математическа модель на контролируемия обект, може да обработва неточна входна информация, демонстрира силна адаптивност към промените в параметрите на батерията и може да включи експертни знания.
• ​Преимущество на PID контрола:​​ Може да постигне високоточно, нулево равновесно управление при малки девиации на системата.
• ​Работен процес на контролера:​​ Системата непрекъснато наблюдава разликата e(t) между зададеното напрежение на батерията и фактическото напрежение. Когато девиацията e(t) е голяма, доминира нечеткия контрол за бърз отговор. Когато e(t) намалее в определен диапазон, плавно се превключва към PID контрол за финна подправка. Накрая, изходният сигнал u(t) се коригира, за да се контролира дължината на импулса на MOSFET, постигайки динамична оптимизация на тока за зареждане.

​IV. Резюме на решенията и перспективи​

• ​Ефективност на управлението:​​ Дизайнът на контролна система за хибридно генериране на електроенергия от вятър и слънце, представен в това решение, успешно постига оптимално управление на зареждането/разряждането на батерията чрез допълващ алгоритъм на интелигентен Fuzzy-PID контрол. Това не само ефективно защитава батерията и продължава нейния жизнен цикъл, но и подобрява ефективността на улавянето на вятърна и слънчева енергия чрез MPPT, което подобрява обобщената ефективност на цялата система за генериране на електроенергия.
• ​Експериментално потвърждение:​​ Експерименталните резултати показват, че контролерът е правилно и изпълнимо проектиран, работи безопасно и надеждно, и демонстрира добра динамична реакция и статична точност.
• ​Перспективи за приложение:​​ Това интегрирано решение за хибридно генериране на електроенергия от вятър и слънце с технология за интелигентно управление на батерии е особено подходящо за сценарии като уединени области без покритие на мрежата, острови, пасища и базови станции за комуникации. То предлага значителни икономически и социални ползи и има широки перспективи за приложение.